JPH0762604B2 - Alignment device - Google Patents
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- JPH0762604B2 JPH0762604B2 JP61123008A JP12300886A JPH0762604B2 JP H0762604 B2 JPH0762604 B2 JP H0762604B2 JP 61123008 A JP61123008 A JP 61123008A JP 12300886 A JP12300886 A JP 12300886A JP H0762604 B2 JPH0762604 B2 JP H0762604B2
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- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体基板等のアライメントを行なう装置に関
し、特に露光装置に組み込んで好適なアライメント装置
に関する。The present invention relates to an apparatus for aligning a semiconductor substrate or the like, and more particularly to an alignment apparatus suitable for being incorporated in an exposure apparatus.
（従来の技術） 近年、半導体素子（超LSI等）は増々高集積度化、微細
化が進み、これを製造するための露光装置においてもよ
り高精度なアライメント精度が要求されている。このア
ライメントとしてはマスクやレチクルと半導体ウェハと
の相対的な位置合わせ、マスクやレチクルの露光装置に
対する位置決め、ウェハの露光位置に対する位置決め等
が含まれているが、いずれの場合もある基準点に対する
物体の位置合わせという点においては同じ意味である。
投影型露光装置の場合、ウェハ上に予め形成されたアラ
イメント用のマークを光学的に検出し、そのマークの位
置を計測することによって、投影光学系によるマスクパ
ターン投影像との位置関係を検出する作業があるが、こ
の作業も広義にはアライメントと呼ばれている。このア
ライメントを自動化するためにはウェハ上のマークを光
学的に拡大して、その像を光電検出すればよい訳であ
る。しかしながら露光プロセスのウェハには、その表面
にフォトレジストが一定の膜厚で形成されているため、
マークの検出はレジストを介して行なわれることにな
る。レジストを介したマーク検出は、レジストの薄膜
（通常１〜５μｍ程度）としての光学特性の影響を強く
受け、像検出が不安定になることから必ずしも良好なア
ライメント精度が得られるとは限らなかった。そこで薄
膜の影響、例えばレジスト表面と地下表面との双方の反
射光による干渉を低減するために、アライメントマーク
への照明光の波長の複数の異なるスペクトルにする方法
が考えられる。(Prior Art) In recent years, semiconductor devices (VLSI, etc.) have become more highly integrated and miniaturized, and exposure apparatuses for manufacturing the same are required to have higher alignment accuracy. This alignment includes relative alignment between the mask or reticle and the semiconductor wafer, positioning of the mask or reticle with respect to the exposure apparatus, positioning of the wafer with respect to the exposure position, etc. The terms have the same meaning in terms of alignment.
In the case of a projection type exposure apparatus, an alignment mark previously formed on a wafer is optically detected, and the position of the mark is measured to detect the positional relationship with the mask pattern projection image by the projection optical system. There is work, but this work is also called alignment in a broad sense. In order to automate this alignment, it is sufficient to optically enlarge the mark on the wafer and photoelectrically detect the image. However, since the photoresist on the surface of the wafer in the exposure process has a uniform film thickness,
The detection of the mark will be performed through the resist. The mark detection through the resist is strongly influenced by the optical characteristics of the resist thin film (usually about 1 to 5 μm), and the image detection becomes unstable, so that good alignment accuracy is not always obtained. . Therefore, in order to reduce the influence of the thin film, for example, the interference due to the reflected light on both the resist surface and the underground surface, a method of making a plurality of different wavelengths of the illumination light for the alignment mark is conceivable.
（発明が解決しようとする問題点） 異なる複数のスペクトルの照明光を同時にウェハに照射
する場合、レジストの膜厚はウェハ上のどの点でも均一
であることは少なく、場所によっては干渉効果を低減さ
せることが難しい。特に段差の大きいマーク近傍では顕
著である。(Problems to be solved by the invention) When irradiating the wafer with illumination light having a plurality of different spectra at the same time, the resist film thickness is rarely uniform at any point on the wafer, and the interference effect is reduced depending on the location. Difficult to make This is particularly remarkable in the vicinity of the mark having a large step.
また各スペクトルの照明光を別々に照射して、夫々の照
明状態でのマーク像を個別に光電検出することも考えら
れるが、マーク像の信号解析が複雑となるといった問題
がある。It is also possible to irradiate the illumination light of each spectrum separately and individually photoelectrically detect the mark image in each illumination state, but there is a problem that the signal analysis of the mark image becomes complicated.
（問題点を解決する為の手段） 本発明は基板上のアライメントパターンを光学的に検出
して、基準位置に対する基板のアライメント状態を認識
する装置に関するものである。アライメントパターンの
像はパターン検出光学系（18,16,14,20,24,26,28）によ
って検出面（ITV等の受光面、スリット面、等）に形成
される。このパターン検出光学系は少なくとも基板（ウ
ェハＷ）側がテレセントリックな光学系であり、基板表
面（アライメントパターン）側には検出面と共役な焦点
面（FP）がある。そして基板表面と焦点面（FP）とを相
対的に光軸方向に変位させる焦点調整手段（2,4、又は2
0,22）が設けられ、基板表面と焦点面（FP）とを所定量
だけずらした第１状態（焦点深度外にデフォーカスさせ
た状態）において、検出面上のパターン像を光電検出す
る手段（ITV等のイメージセンサー30）と、その光電信
号に基づいてアライメント誤差（位置ずれ）を検出する
ずれ検出手段（処理回路40）が設けられる。(Means for Solving Problems) The present invention relates to an apparatus which optically detects an alignment pattern on a substrate and recognizes an alignment state of the substrate with respect to a reference position. An image of the alignment pattern is formed on the detection surface (light receiving surface such as ITV, slit surface, etc.) by the pattern detection optical system (18, 16, 14, 20, 24, 26, 28). This pattern detection optical system is an optical system that is at least telecentric on the substrate (wafer W) side, and has a focal plane (FP) conjugate with the detection surface on the substrate surface (alignment pattern) side. Then, focus adjusting means (2, 4, or 2) for relatively displacing the substrate surface and the focal plane (FP) in the optical axis direction.
0,22) is provided, and means for photoelectrically detecting the pattern image on the detection surface in the first state in which the substrate surface and the focal plane (FP) are displaced by a predetermined amount (the state where the focus image is defocused outside the depth of focus). (Image sensor 30 such as ITV), and a deviation detecting means (processing circuit 40) for detecting an alignment error (positional deviation) based on the photoelectric signal thereof are provided.
（作 用） 本発明では、微細はパターン構造を高倍率の光学系で観
察する際、合焦状態から非合焦状態（所定の焦点深度外
の状態）にした場合でも、非合焦量によってはパターン
像（完全にボケている）がコントラストよく解像される
現象、例えばOTF特性上で位相が反転している領域での
解像を利用して、パターン像の光電検出を行ない、アラ
イメントを行なうものである。このように非合焦域でパ
ターン像の解像が起る現象を、本発明では擬解像と呼ぶ
ことにする。この擬解像の状態ではアライメントパター
ンの微細な構造を検出することはできない。合焦状態で
の画像信号と擬解像での画像信号を比較すると、合焦状
態では高周波成分が多く、基板表面の光学的な特質の影
響を強く受けるのに対し、擬解像では、そのような高周
波成分はほとんど現われず、パターン形状をそのまま表
わすような単純な基本波的成分になる。(Operation) In the present invention, when a fine pattern structure is observed with a high-magnification optical system, even if the focus state is changed to a non-focus state (a state outside a predetermined depth of focus), Uses the phenomenon that the pattern image (completely blurred) is resolved with good contrast, for example, the resolution in the region where the phase is inverted on the OTF characteristic, and photoelectrically detects the pattern image to perform alignment. It is something to do. In the present invention, the phenomenon in which the resolution of the pattern image occurs in the non-focused area is referred to as pseudo resolution. In this pseudo-resolution state, the fine structure of the alignment pattern cannot be detected. Comparing the image signal in the focused state and the image signal in the pseudo-resolution, in the focused state, there are many high-frequency components, which are strongly affected by the optical characteristics of the substrate surface. Such a high frequency component hardly appears, and it becomes a simple fundamental wave component that directly represents the pattern shape.
このため信号処理が非常に簡単になるとともに、パター
ンの全体的なプロフィールがよく再現されるため、アラ
イメント精度の向上が期待できる。Therefore, the signal processing becomes very simple, and the overall profile of the pattern is well reproduced, so that improvement in alignment accuracy can be expected.
本発明では非合焦（デフォーカス）状態でアライメント
パターンの光電検出を行なうため、パターン検出光学系
の物体（基板）側はテレセントリック系である必要があ
る。テレセントリック系であれば合焦状態の像とデフォ
ーカス状態の像との間での倍率誤差がなく、パターン像
の中心ずれが生じないからである。In the present invention, the photoelectric detection of the alignment pattern is performed in the non-focused (defocused) state, so that the object (substrate) side of the pattern detection optical system needs to be a telecentric system. This is because in the case of a telecentric system, there is no magnification error between the focused image and the defocused image, and the center shift of the pattern image does not occur.
（実施例） 以下本発明の実施例を第１図を参照して説明する。ホル
ダーRHに保持され、回路パターン等を有するレチクルＲ
は不図示の照明系からの露光光によって照射される。投
影レンズ１はレチクルＲのパターン、もしくはレチクル
上のアライメントマークRMの像を所定の焦点面FP内に形
成する。ウェハＷは焦点面FPと一致するようにＺステー
ジ２上に保持される。Ｚステージ２はXYステージ３上に
Ｚ方向（投影レンズ１の光軸方向）に微動可能に設けら
れ、駆動モータ４によって上下動する。ウェハＷ上には
アライメント用のマークWMが形成されているものとす
る。(Embodiment) An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. Reticle R held by holder RH and having circuit pattern etc.
Is irradiated with exposure light from an illumination system (not shown). The projection lens 1 forms a pattern of the reticle R or an image of the alignment mark RM on the reticle within a predetermined focal plane FP. The wafer W is held on the Z stage 2 so as to coincide with the focal plane FP. The Z stage 2 is provided on the XY stage 3 so as to be finely movable in the Z direction (the optical axis direction of the projection lens 1), and is vertically moved by the drive motor 4. It is assumed that alignment marks WM are formed on the wafer W.
本発明のアライメント装置は、本実施例ではウェハＷの
グローバル・アライメント用に設けられたオフ・アクシ
ス方式のアライメント系であり、ウェハＷ上のマークWM
を拡大観察するものである。ライトガイド（光ファイバ
ー）10からは、所定の波長幅を有する照明光が照出され
る。この照明光はレンズ系12を介してビームスプリッタ
14に入射し、ビームスプリッタ14を通過した後、ミラー
16で反射され対物レンズ18に入射する。照明光としては
水銀放電灯、ハロゲンランプ等からの光が利用でき、ア
ライメント検出に必要な波長域に対してブロードなスペ
クトル分布があるもの、又は複数の峻鋭なスペクトルが
あるもののいずれであってもよい。特に異なる複数のス
ペクトルを同時に発生するレーザー光源を用いると、光
量が大きくなるので光電検出時のS/N比が上がる。また
対物レンズ18は、少なくとも物体側（ウェハ側）がテレ
セントリック系であり、照明光の波長域に関して色消し
（収差補正）されており、その焦点位置は通常焦点面FP
と一致するように設定されている。尚、照明光はウェハ
Ｗ上のレジストに対して極めて感度の低い波長（非感光
波長）になるように選ばれている。対物レンズ18の焦点
面FPに位置する物体のパターンからの光は、ミラー16を
介して一度結像面FP′に結像され、ビームスプリッタ14
を介してレンズ系（リレー系）20、24に入射する。レン
ズ系20、24は結像面FP′に形成された空間像を指標マー
ク26aが形成された指標板（焦点板）26に再結像する。
レンズ系28は焦点面FP内の物体の像と指標マーク26aと
を同時にテレビカメラ（ITV）等のイメージセンサー30
の受光面（検出面）上に結像する。従ってイメージセン
サー30からの画像信号に基づいて、ウェハＷ上のマーク
WMと指標マーク26aとのアライメント状態を検出するこ
とができる。尚、上記レンズ系20、24、28も対物レンズ
18と同様に色消しされていることが望ましい。またレン
ズ系20は指標板26（又はイメージセンサー30の受光面）
に形成されたマークWMの結像状態を調整できるように光
軸方向に移動可能であり、その駆動はモータ22によって
制御される。The alignment apparatus of the present invention is an off-axis type alignment system provided for global alignment of the wafer W in the present embodiment.
It is to magnify and observe. Illumination light having a predetermined wavelength width is emitted from the light guide (optical fiber) 10. This illumination light is passed through the lens system 12 and the beam splitter.
After entering the beam 14 and passing through the beam splitter 14, the mirror
It is reflected by 16 and enters the objective lens 18. Light from a mercury discharge lamp, a halogen lamp, etc. can be used as the illumination light, and either has a broad spectrum distribution in the wavelength range required for alignment detection, or has a plurality of sharp spectra. Good. In particular, when a laser light source that simultaneously generates a plurality of different spectra is used, the amount of light becomes large and the S / N ratio at the time of photoelectric detection increases. At least the object side (wafer side) of the objective lens 18 is a telecentric system, and is achromatic (aberration corrected) with respect to the wavelength range of the illumination light.
Is set to match. The illumination light is selected to have a wavelength (non-photosensitive wavelength) that is extremely low in sensitivity to the resist on the wafer W. The light from the pattern of the object located on the focal plane FP of the objective lens 18 is once imaged on the imaging plane FP ′ via the mirror 16 and the beam splitter 14
It is incident on the lens system (relay system) 20, 24 via. The lens systems 20 and 24 re-image the aerial image formed on the image plane FP 'on the index plate (focus plate) 26 on which the index mark 26a is formed.
The lens system 28 simultaneously displays the image of the object in the focal plane FP and the index mark 26a at the image sensor 30 such as a television camera (ITV).
An image is formed on the light receiving surface (detection surface) of. Therefore, based on the image signal from the image sensor 30, the mark on the wafer W is
The alignment state between the WM and the index mark 26a can be detected. The above lens systems 20, 24 and 28 are also objective lenses.
It is desirable to be achromatic as in 18. The lens system 20 is an index plate 26 (or the light receiving surface of the image sensor 30).
It is movable in the optical axis direction so as to adjust the image formation state of the mark WM formed on the, and its drive is controlled by the motor 22.
画像信号処理回路（以下単に処理回路とする）40はイメ
ージセンサー30からの画像信号を入力して、その信号波
形を解析してマークWMと指標マーク26aとの位置ずれを
検出し、その検出結果を主制御系42にアライメント誤差
として出力する。また処理回路40は画像信号の波形に基
づいて像のコントラストを検出し、そのコントラスト情
報に基づいて、自動、又は手動でモータ22を駆動する機
能も有する。第１図には示していないが、画像信号は表
示用のブラウン管モニターに印加され、モニター上でマ
ークWMと指標マーク26aとの位置合わせ状態や、像質
（コントラスト）が確認できるようになっている。主制
御系42はアライメント誤差に基づくXYステージ３の位置
決めの制御、あるいはＺステージ２の位置決めの制御を
行なうものである。特に処理回路40で検出されたコント
ラスト情報、又は別設されたエア・マイクロ方式や斜入
射方式のギャップセンサーからの情報に基づいて主制御
系42を介してモータ４をサーボ制御すれば、対物レンズ
18に対するウェハＷの自動焦点合わせ機能が実現でき
る。さらに主制御系42は対物レンズ18の焦点面FPとウェ
ハ面とを一致させるようにＺステージ２を制御するだけ
でなく、任意に所定距離だけ焦点面FPとウェハ面とをず
らすために制御も行なう。本発明ではこの制御を処理回
路40が画像信号を入力する際に行なっておくことを大き
な特徴としている。すなわちマークWMの像をデフォーカ
ス状態で光電検出し、その信号をアライメントのために
使うことを要点としている。これは従来のような、アラ
イメント時にフォーカスを正確に合わせるという考え方
に反するものである。本発明は、アライメントマーク等
の微細なパターン構造を高倍率の対物レンズで観察する
場合、レンズ系の収差やOTF特性によって所定のデフォ
ーカス位置でもコントラストの高い像（ボケてはいる）
が得られる現象、所謂擬解像を利用してアライメントマ
ークの検出を行なうものである。An image signal processing circuit (hereinafter simply referred to as a processing circuit) 40 inputs the image signal from the image sensor 30, analyzes the signal waveform and detects the positional deviation between the mark WM and the index mark 26a, and the detection result. Is output to the main control system 42 as an alignment error. The processing circuit 40 also has a function of detecting the contrast of the image based on the waveform of the image signal and driving the motor 22 automatically or manually based on the contrast information. Although not shown in FIG. 1, the image signal is applied to a CRT monitor for display, and the alignment state of the mark WM and the index mark 26a and the image quality (contrast) can be confirmed on the monitor. There is. The main control system 42 controls the positioning of the XY stage 3 or the Z stage 2 based on the alignment error. In particular, if the motor 4 is servo-controlled via the main control system 42 based on the contrast information detected by the processing circuit 40 or the information from the separately provided air-micro type or oblique incidence type gap sensor, the objective lens
The automatic focusing function of the wafer W with respect to 18 can be realized. Further, the main control system 42 not only controls the Z stage 2 so as to match the focal plane FP of the objective lens 18 with the wafer surface, but also controls so as to shift the focal plane FP and the wafer surface by a predetermined distance. To do. A major feature of the present invention is that this control is performed when the processing circuit 40 inputs an image signal. That is, the main point is to photoelectrically detect the image of the mark WM in the defocused state and use the signal for alignment. This is contrary to the conventional idea of accurately focusing at the time of alignment. According to the present invention, when observing a fine pattern structure such as an alignment mark with a high-magnification objective lens, an image with a high contrast even at a predetermined defocus position due to the aberration of the lens system and the OTF characteristic (blurred)
The alignment mark is detected by utilizing the phenomenon that is obtained, so-called pseudo-resolution.
尚、第１図において、ライトガイド10、レンズ12、ビー
ムスプリッタ14、ミラー16、及び対物レンズ18によって
照明光の送光光学系が構成され、対物レンズ18、ミラー
８、ビームスプリッタ14、及びレンズ系20、24、28によ
って本発明のパターン検出光学系が構成され、処理回路
40によって本発明のずれ検出手段が構成される。In FIG. 1, the light guide 10, the lens 12, the beam splitter 14, the mirror 16, and the objective lens 18 constitute an optical system for transmitting illumination light. The objective lens 18, the mirror 8, the beam splitter 14, and the lens The system 20, 24, 28 constitutes the pattern detection optical system of the present invention, and the processing circuit
The deviation detecting means of the present invention is constituted by 40.
また本実施例では、ライトガイド10の射出端が対物レン
ズ18の瞳と共役に定められ、その瞳面に光源像が形成さ
れるケーラー照明法を用いるものとする。Further, in the present embodiment, the Koehler illumination method is used in which the exit end of the light guide 10 is determined to be conjugate with the pupil of the objective lens 18 and a light source image is formed on the pupil surface.
第２図は処理回路40の具体的な回路構成を示すブロック
図である。イメージセンサー30からの画像信号S1はアナ
ログ−デジタル変換器（ADC）400に入力して、走査線上
の各画素毎のレベルをデジタル値に変換する。このデジ
タル値は画素毎に番地指定されるメモリ401と402のいず
れかに入力する。リード・ライト信号S2はメモリ401、4
02の夫々を書き込みモードと読み出しモードとに択一的
に切替えるものである。FIG. 2 is a block diagram showing a specific circuit configuration of the processing circuit 40. The image signal S 1 from the image sensor 30 is input to an analog-digital converter (ADC) 400 to convert the level of each pixel on the scanning line into a digital value. This digital value is input to one of the memories 401 and 402 whose addresses are designated for each pixel. Read / write signal S 2 is sent to memories 401, 4
Each of 02 is selectively switched between the write mode and the read mode.
セレクタ404は選択信号S3に応答してメモリ401に記憶さ
れた画像情報とメモリ402に記憶された画像情報とのい
ずれか一方を選択して演算処理ユニット405に送出す
る。演算処理ユニット405は画像情報に基づいて指標マ
ーク26とマークWMとの位置ずれ量を求め、それをアライ
メント情報ALMとして出力する。さらに処理ユニット405
は画像情報のコントラストを検出して、それに応じた情
報CZを出力する。このコントラスト情報CZはモータ22を
自動的に制御する場合は必要であるが、モニター画面上
の像質を目視によって確認しつつモータ22を制御する場
合は不要である。In response to the selection signal S 3 , the selector 404 selects either one of the image information stored in the memory 401 and the image information stored in the memory 402 and sends it to the arithmetic processing unit 405. The arithmetic processing unit 405 obtains the amount of positional deviation between the index mark 26 and the mark WM based on the image information, and outputs it as alignment information ALM. Further processing unit 405
Detects the contrast of the image information and outputs the information CZ according to the detected contrast. This contrast information CZ is necessary when the motor 22 is automatically controlled, but is not necessary when the motor 22 is controlled while visually confirming the image quality on the monitor screen.
第３図はイメージセンサー30の受光面（検出面）30aに
形成されるマークWMと指標マーク26aとのアライメント
状態の一例を示す図である。マークWMとマーク26aはと
もに平行な線状パターンであり、マーク26aはマークWM
を挟み込むように２本用意されている。走査線SLはマー
ク26a、マークWMの長手方向と直交する方向に定められ
る。基本的なアライメント検出は、２本マーク26aの夫
々の中心の間隔をX1で２等分した中心線C1をアライメン
トすべき基準点としたとき、マークWMの中心線C2と中心
線C1との走査方向のずれ量ΔＸをアライメント誤差（ア
ライメント情報ALM）とするよう行なわれる。またコン
トラスト検出は、本実施例の場合、ウェハＷ上のマーク
WMのみについて行なえばよく、例えばマークWMの走査線
SLと直交するエッジ位置に対応した波形上の立上り（又
は立下り）の程度、波形上のピークとボトムの差等の値
からコントラスト情報CZを作り出せばよい。尚、本実施
例の場合、指標板26は、照明光のウェハ表面からの反射
光によって透過照明されるため、指標マーク26aが遮光
性のパターンであると、モニター画面上でマーク26aは
暗部として見える。FIG. 3 is a view showing an example of an alignment state of the mark WM and the index mark 26a formed on the light receiving surface (detection surface) 30a of the image sensor 30. Both mark WM and mark 26a are parallel linear patterns, and mark 26a is mark WM.
Two are prepared so as to sandwich. The scanning line SL is defined in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the mark 26a and the mark WM. Basic alignment detection is based on the center line C 2 and the center line C of the mark WM when the center line C 1 obtained by equally dividing the distance between the centers of the two marks 26a by X 1 is used as the reference point for alignment. The deviation amount ΔX from 1 in the scanning direction is set as an alignment error (alignment information ALM). In the present embodiment, the contrast detection is a mark on the wafer W.
It only has to be done for the WM, eg the scan line of the mark WM.
The contrast information CZ may be created from values such as the degree of rising (or falling) on the waveform corresponding to the edge position orthogonal to SL, and the difference between the peak and the bottom on the waveform. In the case of the present embodiment, the index plate 26 is transmitted and illuminated by the reflected light from the wafer surface of the illumination light, so if the index mark 26a is a light-shielding pattern, the mark 26a on the monitor screen will be a dark part. appear.
次に本実施例のアライメント動作を第４図を参照して説
明する。Next, the alignment operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
まずウェハＷ上のマークWMを対物レンズ18に視野内に導
き、マークWMがマーク26aに挟み込まれるようにXYステ
ージ３を位置決めする。そしてテレビモニターを見なが
ら、Ｚステージ２を上下動させるか、又は適当な焦点検
出系を用いたサーボ制御によりＺステージ２を上下動さ
せ、第１図に示すように対物レンズ18の焦点面FPとウェ
ハ表面とを一致させる。この状態（本発明の第２状態）
においてメモリ401を書き込みモードにし、ADC400を介
して画像信号S1を読み込む。次に第４図に示すように、
対物レンズ18の焦点面FPに対してウェハ表面が上方に一
定量ｄだけデフォーカスした状態（本発明の第１状態）
になるようにＺステージ２を上方に駆動させる。この一
定量ｄは対物レンズ18の光学的特性（収差、倍率、OTF
等）や、観察している対象物のパターン構造によって必
らずしも一義的に決められるものではない。さてウェハ
表面をデフォーカスしていくと、像としては多少ボケて
いるがコントラスト（信号波形）が合焦状態よりも大き
く得られる点がある。そこでメモリ402を書き込みモー
ドにし、デフォーカス状態での画像信号S1を記憶する。
インフォーカス状態（第２状態）での信号検出とデフォ
ーカス状態での信号検出との間でウェハＷ上のマークWM
は指標マーク26aに対して変動しないようにしておいた
方が望ましい。以上のようにして取り込まれたメモリ40
1、402内の波形は模式的に示すと第５図のようになる。
第５図（ａ）はインフォーカス状態での波形を示し、第
５図（ｂ）はデフォーカス状態での波形を示し、横軸は
走査位置を、縦軸は信号レベルを表わす。第５図
（ａ）、（ｂ）において、指標マーク26aに関する波形
（両脇のボトム波形）はインフォーカス状態、デフォー
カス状態を問わず安定している。インフォーカス状態で
のマークWMに対応した波形はウェハ表面の光学的特性の
影響をそのまま受けることになり、波形上の特徴（ピー
クやボトム）が多くなり電気処理的には難しいものにな
っている。ただしマークWMの両脇のエッジでは信号波形
ボトムになるので、ボトムの検出からマークWMの中心C2
を求めることは可能である。ところが波形上の特徴が明
確に出ていなかったり、逆に特徴が顕著すぎたりする場
合は、ずれ量ΔＸの検出処理自体に大きな誤差が発生し
たり、最悪の場合検出不能になったりする。First, the mark WM on the wafer W is guided into the field of view by the objective lens 18, and the XY stage 3 is positioned so that the mark WM is sandwiched by the marks 26a. Then, while watching the television monitor, the Z stage 2 is moved up or down, or the Z stage 2 is moved up or down by servo control using an appropriate focus detection system, and as shown in FIG. And the wafer surface. This state (second state of the present invention)
In, the memory 401 is set to the write mode, and the image signal S 1 is read via the ADC 400. Next, as shown in FIG.
A state in which the wafer surface is defocused upward by a certain amount d with respect to the focal plane FP of the objective lens 18 (first state of the present invention).
The Z stage 2 is driven upward so that This fixed amount d is the optical characteristics of the objective lens 18 (aberration, magnification, OTF
Etc.) and the pattern structure of the object being observed are not necessarily uniquely determined. When the surface of the wafer is defocused, the image is slightly blurred, but the contrast (signal waveform) is larger than that in the focused state. Therefore, the memory 402 is set to the writing mode to store the image signal S 1 in the defocused state.
The mark WM on the wafer W is detected between the signal detection in the in-focus state (second state) and the signal detection in the defocus state.
It is desirable that the mark does not change with respect to the index mark 26a. Memory 40 acquired as above
The waveforms in 1 and 402 are as shown in FIG.
FIG. 5A shows a waveform in the in-focus state, FIG. 5B shows a waveform in the defocus state, the horizontal axis represents the scanning position, and the vertical axis represents the signal level. In FIGS. 5A and 5B, the waveform (bottom waveform on both sides) of the index mark 26a is stable regardless of the in-focus state and the defocus state. The waveform corresponding to the mark WM in the in-focus state is directly affected by the optical characteristics of the wafer surface, and there are many characteristics (peaks and bottoms) on the waveform, which makes electrical processing difficult. . However, the signal waveform bottom is at the edges on both sides of the mark WM, so the center of the mark WM C 2
It is possible to ask for However, if the characteristic on the waveform is not clearly shown or conversely the characteristic is too conspicuous, a large error occurs in the detection process of the deviation amount ΔX itself, or in the worst case, detection becomes impossible.
一方、デフォーカス状態でのマークWMに対応した波形
は、所謂擬解像によるため、波形上の特徴は少ないがレ
ベル（コントラスト）の大きな単純波形になる傾向があ
り、マーク位置検出の処理が簡単になり、誤差の発生も
極めて少ない。このようにデフォーカス状態での波形を
使う場合、対物レンズ18の物体側はテレセントリックで
ある必要がある。非テレセントリック系であると、イン
フォーカス時とデフォーカス時とでマークWMの像の横ず
れが生じるからである。実際の検出処理としては所定の
スライスレベルVrを設定して２値化し、その２値化波形
上の立上りと立下りの中心を求める方法、又は原信号上
のピーク位置を求める方法等が利用できる。On the other hand, since the waveform corresponding to the mark WM in the defocused state is so-called pseudo-resolution, it tends to be a simple waveform with a large level (contrast), but the mark position detection process is easy. And the occurrence of error is extremely small. When the waveform in the defocused state is used as described above, the object side of the objective lens 18 needs to be telecentric. This is because in the non-telecentric system, the image of the mark WM is laterally displaced between in-focus and defocus. As the actual detection processing, a method of setting a predetermined slice level V r , binarizing it, and obtaining the center of the rising and falling edges on the binarized waveform, or a method of obtaining the peak position on the original signal are used. it can.
さて、オペレータはメモリ401と402内の２つの波形をモ
ニター画面上に表示させ、どちらを使うかを決定した後
に選択信号S3をセレクタ404に印加する。尚、この決定
は自動的に行なうことも可能であり、波形のS/N比、特
徴の発生状態を評価する波形解析装置を用いて、所定の
条件を満足している方の波形を選ぶようにすればよい。Now, the operator displays the two waveforms in the memories 401 and 402 on the monitor screen, decides which one to use, and then applies the selection signal S 3 to the selector 404. Note that this determination can also be made automatically.Use a waveform analyzer that evaluates the S / N ratio of the waveform and the state of occurrence of features to select the waveform that satisfies the specified conditions. You can do this.
また本実施例ではインフォーカス状態での波形も検出す
るようにしたが、これは必ずしも必要なことではなく、
デフォーカス状態での波形のみに基づいてアライメント
を行なうようにしてもよい。さらにデフォーカス状態の
波形からマークWMの位置を特定し、この特定された位置
を基準にしてインフォーカス状態の波形の特徴をサーチ
するようにすれば、インフォーカス状態の波形のS/N比
が悪化している場合でも誤検出が低減されるといった利
点がある。Further, in this embodiment, the waveform in the in-focus state is also detected, but this is not always necessary.
The alignment may be performed based only on the waveform in the defocused state. Furthermore, if the position of the mark WM is specified from the defocused waveform and the characteristic of the waveform in the in-focused state is searched based on this specified position, the S / N ratio of the waveform in the in-focused state will be improved. There is an advantage that erroneous detections are reduced even when it is worse.
以上のようにしてずれ量ΔＸが検出されたら、そのとき
のXYステージ３の走査方向に関する位置X0を別の測長器
（レーザ干渉計等）によって精密に検出し、位置X0とず
れ量ΔＸとの和（又は差）をアライメント位置として記
憶する。このアライメント位置は、指標マーク26aの中
心にマークWMを位置決めしたときのXYステージ３の位置
にほかならない。従って、このアライメント位置が求ま
ることによって、ウェハＷ上の任意の領域と投影レンズ
１の露光視野との相対的な位置関係が規定される。When the displacement amount ΔX is detected as described above, the position X 0 in the scanning direction of the XY stage 3 at that time is precisely detected by another length measuring device (laser interferometer, etc.), and the displacement amount X 0 and the displacement amount are detected. The sum (or difference) with ΔX is stored as an alignment position. This alignment position is nothing but the position of the XY stage 3 when the mark WM is positioned at the center of the index mark 26a. Therefore, by obtaining this alignment position, the relative positional relationship between an arbitrary region on the wafer W and the exposure field of the projection lens 1 is defined.
第６図は、第１図に示したパターン検出光学系を用いて
ウェハＷ上に形成された３本の平行な線状パターンを観
察したときに実際に得られた画像信号の波形を示す。３
本の線状パターンは走査位置上A1、A2、A3に存在し、第
６図（ａ）は第４図と同一方向（Ｚステージ２の上方移
動）でのデフォーカス状態における波形、第６図（ｂ）
はインフォーカス状態における波形、そして第６図
（ｃ）は第４図の場合と逆方向のデフォーカス状態にお
ける波形である。デフォーカス状態でも前ピン側と後ピ
ン側とでは波形が異なるが、いずれの場合もインフォー
カス状態における波形と較べるレベルの大きな単純波形
となっており、どちらのデフォーカス状態においても信
号検出は十分可能である。尚第６図の各縦軸の信号レベ
ルは同一のアンプゲインのもとで検出された値を表わ
す。また第６図（ａ）と（ｃ）とで波形の位相（白黒）
が反転しているが、これは擬解像固有の現象である。そ
こで前ピン側と後ピン側の両者の波形に基づいてアライ
メントのためのマーク位置検出を行なってもよい。FIG. 6 shows waveforms of image signals actually obtained when observing the three parallel linear patterns formed on the wafer W using the pattern detection optical system shown in FIG. Three
The linear pattern of the book exists at A 1 , A 2 , and A 3 on the scanning position, and FIG. 6 (a) shows the waveform in the defocused state in the same direction (upward movement of the Z stage 2) as in FIG. Fig. 6 (b)
Is a waveform in the in-focus state, and FIG. 6 (c) is a waveform in the defocus state in the opposite direction to the case of FIG. Even in the defocus state, the waveforms on the front pin side and the rear pin side are different, but in both cases, the waveform is a simple waveform with a large level compared to the waveform in the in-focus state, and signal detection is sufficient in both defocus states. It is possible. The signal level on each vertical axis in FIG. 6 represents a value detected under the same amplifier gain. Also, the waveform phase (black and white) in FIGS. 6 (a) and 6 (c).
Is reversed, but this is a phenomenon unique to pseudo-resolution. Therefore, the mark position for alignment may be detected based on the waveforms of both the front pin side and the rear pin side.
ところで第１図においてレンズ系20はモータ22によって
可動となっているが、これはデフォーカス状態にしたと
き、イメージセンサー30の受光面上での像コントラスト
を調整するためのものである。Ｚステージ２を距離ｄだ
けずらしたとき、観察対象物によっては必ずしも良好な
コントラストが得られるとは限らない。そこでコントラ
スト情報CZを自動、又はマニュアルにて評価し、より大
きなコントラストが得られるように調整するものであ
る。このレンズ系20の調整はイメージセンサー30の受光
面と共役になる焦点面FPの位置をＺ方向に変えることに
他ならない。従って極端な場合、Ｚステージ２は上下動
させずに、レンズ系20のみを光軸方向にシフトさせるだ
けで、ウェハ表面と焦点面FPとを擬解像が得られる程度
にずらすことができる。また本実施例ではライトガイド
10を用いた均一照明としたが、レーザ光を対物レンズ18
を介してウェハＷ上に照射し、ウェハＷ上でスポット光
（帯状ビーム）にし、このレーザ光を振動又は等速走査
し、ウェハ表面からの反射光を、イメージセンサー30の
代りに配置されたフォトディテクタ（フォトダイオー
ド、フォトマル等）で光量検出してもよい。この場合、
レーザスポット光の走査に応じて光電信号をサンプリン
グすれば、画像信号の波形が検出できる。By the way, in FIG. 1, the lens system 20 is movable by a motor 22. This is for adjusting the image contrast on the light receiving surface of the image sensor 30 in the defocused state. When the Z stage 2 is displaced by the distance d, good contrast is not always obtained depending on the observation object. Therefore, the contrast information CZ is evaluated automatically or manually and adjusted so that a larger contrast can be obtained. The adjustment of the lens system 20 is nothing but changing the position of the focal plane FP which is conjugate with the light receiving surface of the image sensor 30 in the Z direction. Therefore, in an extreme case, it is possible to shift the wafer surface and the focal plane FP to such an extent that a pseudo resolution can be obtained only by shifting only the lens system 20 in the optical axis direction without vertically moving the Z stage 2. Also, in this embodiment, the light guide
Although the uniform illumination using 10 is used, the laser beam is used for the objective lens 18
The wafer W is irradiated with the light through the laser light to form spot light (belt-shaped beam) on the wafer W, and the laser light is vibrated or scanned at a constant speed, and the light reflected from the wafer surface is arranged instead of the image sensor 30. The light amount may be detected by a photo detector (photodiode, photomultiplier, etc.). in this case,
By sampling the photoelectric signal according to the scanning of the laser spot light, the waveform of the image signal can be detected.
以上本実施例はオフ・アクシス方式のアライメント系と
して説明したが、レチクルＲ上のマークRMとウェハＷ上
のマークWMとを投影レンズ１を介して同時に観察するア
ライメント系、所謂TTLアライメント系においても全く
同様に適用可能である。TTLアライメント系は第１図に
示したパターン検出光学系をそのままレチクルＲの上方
に配置した構成であるが、レチクルＲのマークRMが指標
マークとなるので指標板26に相当する部材は不要であ
る。そしてこの場合、投影レンズ１がウェハＷに対する
対物光学系を兼ねることになる。投影レンズ１のウェハ
側はテレセントリック系になっており、対物レンズ18に
よるウェハＷの観察と全く同様の観察ができる。通常こ
の種の投影レンズは単一波長に対して色収差補正されて
いるため、TTLアライメント系ではその単一波長スペク
トルの光をアライメント用の照明光としている。しかし
ながら単一波長スペクトルの光では、デフォーカス状態
にしても単にコントラストが低下していくのみであり、
擬解像を得ることはできない。そこで例えば第７図に示
すように、投影レンズの色消しされている波長λ０を中
心に所定の帯域幅Δλを有する照明光を用いると、同様
に擬解像を得ることができる。この場合、帯域幅Δλを
大きくしすぎると、波長λ０に対するインフォーカス状
態においてマークWMを観察しても像質が悪化するので適
当な幅に定めておく必要がある。また投影レンズそのも
のが異なる２波長に対して収差補正されている場合は、
その２波長のスペクトルを同時にアライメント用の照明
光として使うようにすればよい。Although the present embodiment has been described as an off-axis type alignment system, an alignment system for simultaneously observing the mark RM on the reticle R and the mark WM on the wafer W via the projection lens 1, that is, a so-called TTL alignment system is also described. Exactly the same is applicable. The TTL alignment system has a structure in which the pattern detection optical system shown in FIG. 1 is directly arranged above the reticle R, but since the mark RM of the reticle R serves as an index mark, a member corresponding to the index plate 26 is unnecessary. . In this case, the projection lens 1 also serves as an objective optical system for the wafer W. The wafer side of the projection lens 1 has a telecentric system, and the same observation as the observation of the wafer W by the objective lens 18 can be performed. Since this type of projection lens is normally chromatically corrected for a single wavelength, the TTL alignment system uses the light of the single wavelength spectrum as the illumination light for alignment. However, with light of a single wavelength spectrum, even if it is in a defocused state, the contrast simply decreases,
No pseudo-resolution can be obtained. Therefore, for example, as shown in FIG. 7, by using illumination light having a predetermined bandwidth Δλ centered on the achromatic wavelength λ 0 of the projection lens, a pseudo resolution can be similarly obtained. In this case, if the bandwidth Δλ is made too large, the image quality deteriorates even when the mark WM is observed in the in-focus state with respect to the wavelength λ 0, so it is necessary to set the width appropriately. If the projection lens itself is aberration corrected for two different wavelengths,
The spectra of the two wavelengths may be simultaneously used as illumination light for alignment.
（発明の効果） 以上本発明によれば、デフォーカス状態（検出光学系の
焦点深度外に対象物を配置した状態）でも解像が起る現
象（例えば擬解像）を利用し、デフォーカス状態でパタ
ーン像の光電検出を行なうようにしたので、基板表面の
光学的な特性の影響（干渉等）を低減させ、パターン自
体のプロフィールを表わしたS/N比の良い信号が得ら
れ、アライメント精度の向上が可能である。また本発明
は、基板上に形成された複数のパターン（マーク）の間
隔を計測する装置、あるいはフォトレジスト中に形成さ
れた潜像（反射率が周囲と異なる）の検出、又はその潜
像とレジスト下地に形成されたパターンとの間隔計測を
行なう装置に適用しても同様の効果が得られる。さらに
前ピン側と後ピン側との両者における擬解像により、パ
ターン位置を検出し、その両者を比較して横ずれを求め
ることにより、検出光学系のテレセン性（主光線と光軸
との平行度）をチェックすることができるといった利点
もある。(Effect of the Invention) According to the present invention, the defocusing is performed by utilizing the phenomenon (for example, pseudo-resolution) in which the resolution occurs even in the defocusing state (the state in which the object is arranged outside the depth of focus of the detection optical system). Since the photoelectric detection of the pattern image is performed in this state, the influence of the optical characteristics of the substrate surface (interference, etc.) is reduced, and a signal with a good S / N ratio that represents the profile of the pattern itself can be obtained for alignment. The accuracy can be improved. The present invention also provides an apparatus for measuring the intervals between a plurality of patterns (marks) formed on a substrate, or detection of a latent image (reflectance different from the surroundings) formed in a photoresist, or a latent image thereof. The same effect can be obtained by applying it to an apparatus that measures the distance from the pattern formed on the resist base. Furthermore, the pattern position is detected by pseudo-resolution on both the front and rear pin sides, and the lateral shift is calculated by comparing the pattern positions to determine the telecentricity of the detection optical system (parallel to the principal ray and the optical axis). There is also an advantage that you can check the degree.
第１図は本発明の実施例によるアライメント装置の構成
を示す図、第２図は信号処理回路の回路ブロック図、第
３図はアライメント状態の一例を示す平面図、第４図は
デフォーカス状態を説明する図、第５図（ａ）はインフ
ォーカス状態での画像信号の波形図、第５図（ｂ）はデ
フォーカス状態での画像信号の波形図、第６図はマルチ
（３本）マークから得られた実際の画像信号の波形図で
ある。 〔主要部分の符号の説明〕 Ｗ……ウェハ、Ｒ……レチクル、 ２……Ｚステージ、10……ライトガイド、 14……ビームスプリッタ、 18……対物レンズ、 20,24……リレー系、26……指標板、 30……イメージセンサー 40……処理回路（ずれ検出手段）、 FP……焦点面1 is a diagram showing a configuration of an alignment apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a circuit block diagram of a signal processing circuit, FIG. 3 is a plan view showing an example of an alignment state, and FIG. 4 is a defocus state. FIG. 5 (a) is a waveform diagram of an image signal in an in-focus state, FIG. 5 (b) is a waveform diagram of an image signal in a defocused state, and FIG. 6 is a multi (three lines). It is a waveform diagram of the actual image signal obtained from the mark. [Explanation of symbols of main parts] W ... Wafer, R ... Reticle, 2 ... Z stage, 10 ... Light guide, 14 ... Beam splitter, 18 ... Objective lens, 20, 24 ... Relay system, 26: Index plate, 30: Image sensor 40: Processing circuit (deviation detecting means), FP: Focal plane
Claims (3)
ト用のパターンを光学的に検出することにより、基準位
置に対する基板のアライメント状態を認識する装置にお
いて、 少なくとも前記基板側がテレセントリックな光学系であ
り、所定の焦点面に前記アライメント用パターンを位置
させたとき、該パターンの像を所定の検出面に形成する
パターン検出光学系と； 該パターン検出光学系の所定焦点面と前記基板とを相対
的に光軸方向に変位させる焦点調整手段と；前記所定焦
点面と前記基板の表面とを光軸方向に所定量だけずらし
た第１状態において、前記検出面に形成された前記パタ
ーン像の第１情報を光電検出する光電検出手段と；該光
電検出された信号に基づいて前記アライメント用パター
ンの前記基準位置からのずれを検出するずれ検出手段と
を備えたことを特徴とするアライメント装置。1. An apparatus for recognizing an alignment state of a substrate with respect to a reference position by optically detecting an alignment pattern formed at a predetermined position on the substrate, wherein at least the substrate side is a telecentric optical system. A pattern detection optical system that forms an image of the alignment pattern on a predetermined detection surface when the alignment pattern is positioned on the predetermined focal plane; and a predetermined focus surface of the pattern detection optical system and the substrate relative to each other. A focus adjusting means for displacing in the optical axis direction; a first state of the pattern image formed on the detection surface in a first state in which the predetermined focal plane and the surface of the substrate are displaced by a predetermined amount in the optical axis direction. Photoelectric detection means for photoelectrically detecting information; detecting a deviation of the alignment pattern from the reference position based on the photoelectrically detected signal It is an alignment device characterized by comprising a detecting means.
面と前記基板表面とをほぼ一致させた第２状態におい
て、前記検出面に形成された前記パターン像の第２情報
を光電検出し、前記ずれ検出手段は、前記第１情報によ
る信号と前記第２情報による信号とを比較し、少なくと
も一方の信号を前記ずれ検出のために選択する選択手段
を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装
置。2. The photoelectric detection means photoelectrically detects second information of the pattern image formed on the detection surface in a second state in which the predetermined focal plane and the substrate surface are substantially aligned with each other, The shift detecting means includes a selecting means for comparing a signal according to the first information with a signal according to the second information and selecting at least one signal for detecting the shift. The apparatus according to item 1.
ント用パターンを所定の波長幅を有する照明光で照明す
るための送光光学系と、該照明光に対して色収差補正さ
れ、前記基板側でテレセントリックな対物光学系とを含
むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。3. The pattern detection optical system includes a light-transmitting optical system for illuminating the alignment pattern with illumination light having a predetermined wavelength width, and chromatic aberration correction for the illumination light. An apparatus according to claim 1, including a telecentric objective optics.
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Also Published As
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